Ламинарни и турбулентни проток флуида: опис, карактеристике и занимљивости

Хидродинамика је најважнији део физике, која проучава законе кретања флуида у зависности од спољашњих услова. Важно питање које се разматра у хидродинамици је питање одређивања ламинарног и турбулентног протока флуида.

Шта је течност?

Да би боље разумели проблем ламинарног и турбулентног протока течности, потребно је почети разматрати шта је та супстанца.

Флуид у физици је једно од 3 агрегатна стања материје, која је у датим условима способна да одржи свој волумен, али која, када је изложена минималним тангенцијалним силама, мења свој облик и почиње да тече. За разлику од чврстог тела, у течности не постоје силе отпора према спољашњем утицају, које би настојале да поврате свој првобитни облик. Течност се разликује од гасова по томе што је у стању да одржава своју запремину при сталном спољашњем притиску и температури.

Параметри који описују својства течности

Питање ламинарног и турбулентног тока одређено је, с једне стране, својствима система у којем се разматра кретање флуида, ас друге стране карактеристикама течне материје. Дајемо основне особине течности:

• Густина Свака течност је хомогена, па због својих карактеристика користи ову физичку количину, која одражава количину масе течне супстанце која пада на јединичну запремину.
• Вискозност Ова вредност карактерише трење које настаје између различитих слојева течности током његовог протока. Пошто је у течностима потенцијална енергија молекула приближно једнака њиховој кинетичкој енергији, она изазива присуство неке вискозности у било којој реалној течности. Ово својство течности је узрок губитка енергије у току њиховог протока.
• Компресибилност Са повећањем спољашњег притиска, свака течна супстанца смањује свој волумен, међутим, за течности овај притисак мора бити довољно висок да незнатно смањи волумен који заузимају, па се за већину практичних случајева ово агрегатно стање сматра нестабилним.
• Сурфаце тенсион. Ова вредност се одређује радом који се мора потрошити да би се формирала јединична површина течности. Постојање површинског напона услед присуства интермолекуларних сила интеракција у течностима, одређује њихове капиларне особине.

Ламинарни ток

Проучавајући питање турбулентног и ламинарног тока, прво ћемо размотрити ово друго. Ако за течност која се налази у цеви, да би се створила разлика притиска на крајевима ове цеви, тада ће почети да тече. Ако је проток супстанце миран, а сваки слој се креће дуж глатке путање која не сијече линије кретања других слојева, онда говоримо о режиму ламинарног протока. Током тога, сваки молекул флуида се креће дуж цеви дуж одређене стазе.

Карактеристике ламинарног тока су следеће:

• Мешање између појединачних слојева течне материје не постоји.
• Слојеви који су ближе оси цеви крећу се већом брзином од оних који се налазе на њеној периферији. Ова чињеница је последица присуства сила трења између молекула течности и унутрашње површине цеви.

Пример ламинарног протока су паралелни млазови воде који излазе из туша. Ако се у ламинарни ток дода неколико капи боје, онда можете видети како се оне увлаче у млаз, који наставља свој глатки ток без мешања у запремини течности.

Турбулентни ток

Овај модус се у основи разликује од ламинарног. Турбулентни ток је хаотични ток у коме се сваки молекул креће дуж произвољне путање, која се може предвидети само у почетном тренутку. Овај режим карактерише турбуленција и кружна кретања малих запремина у протоку флуида. Ипак, упркос насумичности трајекторија појединих молекула, укупан проток се креће у одређеном правцу, а ту брзину може карактерисати одређена средња вредност.

Примјер турбулентног тока је проток воде у планинској ријеци. Ако испустите боју у таквом потоку, можете видети да ће се у почетном тренутку појавити млаз, који ће почети да искуси дисторзије и лагане заокрете, а затим ће нестати, помешајући целу запремину течности.

Шта одређује проток флуида?

Режими ламинарног или турбулентног тока зависе од односа две величине: вискозности течне материје, која одређује трење између слојева флуида, и инерцијалних сила које описују брзину протока. Што је вискознија супстанца и што је брзина протока мања, већа је вероватноћа ламинарног протока. Напротив, ако је вискозност течности ниска и брзина је висока, проток ће бити турбулентан.

У наставку је видео који јасно објашњава карактеристике разматраних начина протока супстанце.

Како одредити проток?

За праксу је ово питање веома важно, јер је одговор на њега повезан са специфичностима кретања објеката у флуидном медију и величином губитака енергије.

Прелаз између ламинарног и турбулентног режима протока флуида може се проценити коришћењем такозваних Реинолдсових бројева. Они су бездимензионална количина и названи су по имену ирског инжењера и физичара Осборна Рејнолдса, који је крајем 19. века предложио да се њима практично одреди начин кретања текуће супстанце.

Рејнолдсов број (ламинарни и турбулентни проток флуида у цеви) може се израчунати помоћу следеће формуле: Ре = ρ * Д * в / μ, где су ρ и μ густина и вискозност супстанце, односно в је њен просечни проток, Д је пречник цеви. У формули, нумератор одражава инерцијалне силе или ток, а именитељ одређује силу трења или вискозност. Из овога се може закључити да ако је Реинолдсов број за разматрани систем велики, то значи да флуид тече у турбулентном моду, и обрнуто, мали Реинолдсови бројеви указују на постојање ламинарног тока.

Специфичне вредности Реинолдсових бројева и њихова употреба

Као што је горе поменуто, Реинолдсов број се може користити за одређивање ламинарног и турбулентног протока. Проблем је у томе што зависи од карактеристика система, на пример, ако цев има неправилности на својој унутрашњој површини, тада ће турбулентни проток воде у њему почети са нижим протоком него у глатком.

Статистике многих експеримената су показале да без обзира на систем и природу течне материје, ако је Рејнолдов број мањи од 2000, тада долази до ламинарног кретања, а ако је више од 4000, проток постаје турбулентан. Средње вредности бројева (од 2000 до 4000) указују на присуство прелазног режима.

Наведени Реинолдс-ови бројеви се користе за одређивање кретања различитих техничких објеката и уређаја у флуидима, за проучавање протока воде кроз цијеви различитих облика, а такође играју важну улогу у проучавању одређених биолошких процеса, на примјер, кретања микроорганизама у крвним судовима људи.